Ultrazvočna sinteza diesterjev za proizvodnjo visoko zmogljivih bioloških maziv

Prehod z maziv na osnovi nafte na obnovljiva, biološko razgradljiva in visoko zmogljiva maziva na osnovi estrov se v vseh industrijskih sektorjih pospešuje. Proizvajalci maziv so pod vse večjim pritiskom, da zmanjšajo vpliv na okolje, hkrati pa ohranijo zahtevna merila zmogljivosti, kot so visok indeks viskoznosti, nizka hlapnost, dobra mazivnost, toplotna stabilnost in zanesljivo delovanje pri nizkih temperaturah. V tem kontekstu ultrazvočna transesterifikacija ponuja učinkovito strategijo za intenzifikacijo procesa sinteze surovin na osnovi estrov, ki se uporabljajo v sodobnih formulacijah bioloških maziv.

Ultrazvočna transesterifikacija diesterjev za biološka maziva

Ultrazvočna transesterifikacija rastlinskih olj in maščob je trajnostna tehnika, ki znatno izboljša izkoristek estrov, zmanjša omejitve pri predelavi in naredi postopek transesterifikacije privlačnejšega za industrijsko proizvodnjo maziv. Ultrazvočni aparati tipa sonda podjetja Hielscher se uporabljajo za učinkovito sintezo estrov v neprekinjeni proizvodnji pod nadzorovanimi procesnimi pogoji.

Sinteza bioloških maziv s transesterifikacijo

Rastlinska olja so privlačna izhodna surovina za biološka maziva, saj so obnovljiva, biološko razgradljiva in imajo dobre mazalne lastnosti. Vendar pa neobdelana rastlinska olja pogosto trpijo zaradi omejene oksidacijske stabilnosti in slabih lastnosti pri nizkih temperaturah. Pogosta strategija za premagovanje teh pomanjkljivosti je pretvorba metilnih estrov, pridobljenih iz rastlinskih olj, v poliolne estre, kot so pentaeritritolni estri, s pomočjo transesterifikacije.
V študiji “Optimizacija parametrov postopka transesterifikacije z ultrazvokom na podlagi algoritmov RSM in Crow Search za sintezo biološkega maziva na osnovi poliolnih estrov” Po metodi Arumugama in sod. so najprej olje iz repice pretvorili v metilester olja iz repice. V drugem koraku so ta metilester reagirali s pentaeritritolom v prisotnosti katalizatorja p-toluenesulfonske kisline in ksilena kot topila. Želeni produkt je bil pentaeritritolov ester, primeren kot osnovno olje za biološka maziva. Ta reakcija je zelo pomembna za proizvajalce maziv, saj se poliolni estri široko uporabljajo kot sintetične osnovne surovine za kompresorska olja, hidravlične tekočine, hladilna olja in druge visokozmogljive mazivne aplikacije.
Glavni izziv pri konvencionalni transesterifikaciji je, da je reakcija pogosto omejena zaradi slabega prenosa mase med reaktanti. Metilni estri, polioli in katalizatorji ne tvorijo vedno idealnega homogenega reakcijskega sistema. Konvencionalno mešanje lahko zahteva dolge reakcijske čase, visoke temperature in povečan vnos energije, kljub temu pa prinaša le zmerne izkoristke. Prav tu ultrazvočna obdelava ponuja odločilno prednost.

Shema poteka postopka ultrazvočne transesterifikacije pentaeritritolovega estra
Študija in grafika: © Arumugam et al., 2019

Kako ultrazvočna transesterifikacija pospeši sintezo estrov

Pri ultrazvočni transesterifikaciji se z visoko intenzivnim ultrazvokom v tekočem reakcijskem mediju ustvari akustična kavitacija. Kavitacija povzroča nastanek mikroskopskih mehurčkov, ki se hitro večajo in nato nasilno razpadajo. Pri tem nastanejo močne lokalne strižne sile, mikrobrizgi, akustični tok in mikroemulzifikacija.
Pri sintezi estrov so ti učinki izredno pomembni, saj:

• zmanjšati velikost kapljic in izboljšati stik med fazama
• povečati površino stika med nezdružljivimi ali slabo združljivimi reaktanti
• izboljšati dostopnost katalizatorja
• Pospeševanje prenosa mase
• izboljšati kinetično potek reakcije
• omogočajo višji izkoristek estrov v optimalnih pogojih

Študija pojasnjuje, da turbulenca in mikroemulzije, ki jih povzroča kavitacija, premagujejo omejitve pri prenosu mase pri konvencionalni transesterifikaciji. Zaradi tega so reaktanti učinkoviteje razpršeni, katalitična reakcija pa poteka hitreje in popolneje.

Rezultati študije: Višji izkoristek estrov z ultrazvokom

V študiji so z uporabo metodologije odzivne površine in algoritma »crow search« optimizirali postopek, podprt z ultrazvokom. Preučevane procesne spremenljivke so bile ultrazvočni impulz, amplituda ultrazvoka, koncentracija katalizatorja in reakcijska temperatura.
Optimizirani pogoji ultrazvočnega postopka so bili:
Sistem Sonicator: Ultrazvočni aparat Hielscher UP400St s sondo
Ultrazvočni impulz: 15 sekund
Ultrazvočna amplituda: 60 %
Koncentracija katalizatorja: en in pol masnega odstotka
Reakcijska temperatura: 100°C

V teh optimiziranih pogojih je bila pri transesterifikaciji z ultrazvokom dosežena izkoristljivost pentaeritritolovega estra približno 81,4 %. V primerjavi s tem je konvencionalni postopek transesterifikacije v pogojih, ocenjenih v študiji, dosegel le približno 47-odstotni izkoristek. To pomeni, da je ultrazvočna obdelava povečala izkoristek estra za več kot 70 % v primerjavi s konvencionalnim postopkom.
Za proizvajalce maziv je to izredno pomemben rezultat. Višji izkoristek pomeni boljšo izrabo surovin, manj stranskih tokov, boljšo ekonomsko učinkovitost procesa in potencialno nižje proizvodne stroške na kilogram estrskega baznega olja.

Potrditev nastajanja estrov

Študija avtorjev Arumugam in sod. (2019) je z uporabo FTIR-spektroskopije in plinske kromatografije potrdila nastanek pentaeritritolovega estra. FTIR-analiza je pokazala značilne vrhove za karbonilno skupino estra in C–O-vezi estra, dodatni vrhovi pa so potrdili prisotnost pentaeritritilne skupine. Plinska kromatografija je dodatno potrdila sestavo proizvoda, vključno s frakcijami monoestrov, diestrov, triestrov in tetraestrov.
Za proizvodnjo bioloških maziv je ta analitična potrditev pomembna, saj je učinkovitost maziva v veliki meri odvisna od sestave estrov. Zmožnost spodbujanja nastajanja želenih estrskih struktur s pomočjo nadzorovane ultrazvočne transesterifikacije proizvajalcem ponuja praktično orodje za izboljšanje kakovosti osnovnega olja in doslednosti proizvodnega procesa.
 

FTIR-spekter pentaeritritolovega estra, transesterificiranega z ultrazvokom
Študija in grafika: ©Arumugam et al., 2019

Prednosti ultrazvočnih naprav Hielscher za proizvajalce maziv

Podjetje Hielscher ponuja celotno paleto ultrazvočnih naprav od R&Od enot D do popolnoma industrijskih ultrazvočnih sistemov. To omogoča razvoj procesa v laboratorijskem obsegu in njegovo poznejšo prenos na pilotni in proizvodni obseg ob uporabi istih osnovnih ultrazvočnih načel.
Vsi ultrazvočni aparati z močjo 200 vatov in več so opremljeni z digitalnim upravljanjem, programirljivimi nastavitvami, daljinskim upravljanjem prek spletnega brskalnika, avtomatskim beleženjem podatkov, vstavljivimi senzorji temperature in tlaka ter še mnogimi drugimi funkcijami, ki zagotavljajo največjo uporabniško prijaznost in ponovljive rezultate.
Za industrijsko proizvodnjo maziv Hielscherjeva ponudba vključuje kompaktne laboratorijske ultrazvočne naprave za študije izvedljivosti, sisteme v pilotnem obsegu za optimizacijo procesov ter industrijske ultrazvočne procesorje, kot so UIP500hdT, UIP1000hdT, UIP1500hdT, UIP2000hdT, UIP4000hdT, UIP16000hdT ter večje večenotne naprave za neprekinjeno obdelavo velikih količin.
Reaktorji s pretokom omogočajo nadzorovani čas zadrževanja, povečanje tlaka za intenzivnejšo kavitacijo, uravnavanje temperature ter vgradnjo v obstoječe proizvodne linije za esterifikacijo ali transesterifikacijo.

Ultrazvočni procesorji podjetja Hielscher ponujajo pomembne prednosti pri sintezi estrov in bioloških maziv:

• natančno krmiljenje amplitude za ponovljivo intenzivnost kavitacije
• nastavljivo utripanje za optimizacijo porabe energije in upravljanje toplote
• visokozmogljiva ultrazvočna obdelava s sondo za neposreden in učinkovit prenos energije v reakcijsko sredstvo
• delovanje v serijah in s kontinuiranim pretokom za prilagodljiv razvoj procesov
• industrijska prilagodljivost od laboratorijskega testiranja do proizvodnje z visoko zmogljivostjo
• trdna konstrukcija opreme za zahtevna okolja kemijske predelave

 
 
Spodnja tabela vam prikazuje približno zmogljivost obdelave naših ultrazvočnih aparatov:

Sinteza diesterjev z ultrazvokom kot proizvodna strategija

Načelo postopka ultrazvočne transesterifikacije olj in maščob je neposredno povezano z ultrazvočno sintezo diesterjev in širšo proizvodnjo bioloških maziv na osnovi estrov. Diesteri so pomembne osnovne surovine za sintetična maziva zaradi svojega ugodnega razmerja med viskoznostjo in temperaturo, mazivnosti ter lastnosti pri nizkih temperaturah. Podobno kot pri drugih reakcijah esterifikacije in transesterifikacije tudi pri sintezi diesterjev pogosto pripomorejo boljši stik med reaktanti, hitrejši prenos mase in učinkovitejša izraba katalizatorja.
Ultrazvok je zato praktično orodje za intenzifikacijo procesov za proizvajalce, ki izdelujejo estre iz obnovljivih surovin, metilestrov maščobnih kislin, alkoholov, poliolov ali drugih predhodnikov estrov. Namesto da bi se zanašali izključno na toploto in mehansko mešanje, ultrazvok omogoča mešanje na mikroskopski ravni, ki ga poganja kavitacija, kjer dejansko nastopajo številne omejitve reakcij.

Za procesne inženirje to pomeni, da se ultrazvočni reaktorji lahko uporabljajo za izboljšanje:

• hitrost reakcije
• izkoristek estra
• učinkovitost katalizatorja
• faza disperzije/li>
• doslednost med serijami
• kompaktnost procesa
• energetska učinkovitost v primerjavi z dolgotrajno konvencionalno predelavo

Pri ultrazvočni transesterifikaciji se stopnja pretvorbe v prvih 1,5 minuti povzpne na približno 75 % in se po 6 minutah ustalijo na približno 90 %.
Pri običajni metodi je stopnja pretvorbe veliko nižja, saj po 8 minutah doseže le približno 40-odstotno pretvorbo.
Študija in grafika: ©Fayyazi et al., 2014

Od laboratorijskih raziskav do industrijske proizvodnje bioloških maziv

Transesterifikacija z ultrazvokom je primerna metoda za proizvodnjo estrov za maziva (kot je na primer biološko mazivo na osnovi pentaeritritolovih estrov), ki v primerjavi s konvencionalnim postopkom omogoča višji izkoristek in manj intenzivno reakcijo. Arumugam in sod. (2019) so poročali o povečanju izkoristka s 47 % na približno 81,4 %, kar jasno dokazuje komercialno pomembnost intenzifikacije procesa z ultrazvokom.
Za proizvajalce maziv so posledice jasne: ultrazvočna transesterifikacija lahko pomaga pri učinkovitejši pretvorbi obnovljivih surovin v visokokakovostna bazna olja na osnovi estrov. Z ultrazvočnimi napravami podjetja Hielscher je mogoče isto tehnološko platformo, ki se uporablja za optimizacijo v laboratoriju, prilagoditi za neprekinjeno industrijsko delovanje. Zaradi tega ultrazvočna obdelava ni le raziskovalno orodje, temveč tudi izvedljiva proizvodna strategija za biološka maziva naslednje generacije.
Z vključitvijo ultrazvočnih reaktorjev podjetja Hielscher v proizvodne linije za sintezo estrov lahko proizvajalci pospešijo transesterifikacijo, izboljšajo donos in razvijejo bolj trajnostne osnovne olje za maziva iz surovin, pridobljenih iz rastlinskih olj. Ker povpraševanje po biorazgradljivih in obnovljivih mazivih nenehno narašča, sinteza diestrskih in poliolnih estrov z ultrazvokom ponuja odlično pot k čistejši, učinkovitejši in komercialno konkurenčni proizvodnji bioloških maziv.

Literatura / Reference